铁路隧道穿越的复杂管道型溶洞处治技术

铁路隧道穿越的复杂管道型溶洞处治技术

刘海锋

深圳地铁运营集团有限公司 广东深圳518000

摘要：随着岩溶隧道的大量修建，在岩溶处治方面逐渐形成了绕避、截排、封堵、跨越的处治原则。但鉴于溶洞及岩溶水的复杂多变性及独特性，其处理措施不尽相同，若处治不当易对隧道结构及运营安全造成重大影响。本文以某隧道为依托，结合隧道区域工程地质、水文地质条件，根据揭示的溶洞和岩溶水特性，开展了复杂管道型溶洞处治技术研究。

关键词：铁路隧道穿越；复杂管道型溶洞；处治技术

1工程概况

某隧道为时速200km/h的客货共线双线隧道，全长2770m，隧道线路纵坡为5.9‰、15.5‰的单面上坡。隧址区属构造侵蚀溶蚀中山峡谷地貌，洞身主要穿越志留系下统石牛栏组地层，岩性为灰色泥灰岩，地表存在溶蚀洼地、落水洞等岩溶形态，岩溶强烈发育，存在涌水危害，最大埋深约170m。隧道施工至D2K171+320时，拱顶左上侧揭示出溶洞，溶洞宽约2m，在拱顶以上约4m。经测绘发现该溶洞小里程端始于D2K171+260线路左侧，大里程端延伸至D2K171+550处岩溶坍塌区，两端无法进入。溶洞主通道迂回，支洞发育，与隧道线路交角小。溶洞管道体系与隧道线路多次交叉，在D2K171+450处合并后分成左右两支洞并继续向前发展。各交叉处溶洞洞顶高于隧道拱顶0～8m，底部侵入隧道轮廓最大约6m。溶洞管道遍布于该段隧道洞身两侧。隧道揭示溶洞岩溶管道发育，与地表落水洞连通性好，岩溶水具有流域补、径、排特点，瞬时水量大，且水中带有泥沙沉积，对隧道结构及运营安全存在重大影响。

2处治方案比选

隧道溶洞规模大，支洞发育，与隧道交叉关系复杂，局部洞壁稳定性较差，岩溶水受降雨补给强烈，瞬时水量大，洞内水沟已不能满足岩溶季节性涌水排泄需求，因此，溶洞处理主要考虑岩溶水处治及衬砌结构安全。根据溶洞形态及水文地质条件，可选的处治方案主要有以堵为主的抗水压衬砌方案和以排为主的泄水洞方案。

2.1抗水压衬砌方案

结合溶洞段隧道与地表的关联，为获取安全可靠的衬砌结构参数，采用荷载结构法计算得到结构体系内力与变形，并确定结构的尺寸与配筋。因水井湾消水洞距隧道垂直高度120m，按最不利水头高度计算，该段衬砌承受水压最大将达1.2MPa。通过MIDASGTS软件对隧道衬砌进行抗水压设计和配筋，参数如下：衬砌重度25kN/m3，围岩竖向荷载84kPa，侧向水平围岩压力为6～26kPa，呈线性分布；水压1.2MPa。围岩弹性反力系数取500MPa/m。计算结果表明，若采用抗水压衬砌方案，衬砌厚度需不小于85cm，且结构每米最小配筋不小于7根ϕ28HRB400钢筋。

2.2泄水洞方案

因溶洞分布范围广且与隧道多次交叉，结合隧区左高右低地形及水文特点，于溶洞段隧道左侧设置集水廊道，横向下穿隧道段设置泄水洞引排集水廊道内岩溶水至洞外。增设泄水洞后溶洞段隧道正洞衬砌不再考虑水压影响，仅考虑承受周边围岩压力即可。

2.3方案比选

根据隧道地貌，结合溶洞及岩溶水特点，对两种方案进行分析。泄水洞方案虽工期较长，但从交叉段溶腔处理、岩溶水的有效引排、隧道结构及长期运营安全考虑，该方案更优。因此，最终以泄水洞方案为主，同时采用设置局部排水联络坑道和排水钻孔、溶洞内封堵疏排、加强局部衬砌等综合处治措施。

3处治方案设计与施工

3.1集排水设计

3.1.1集水廊道

（1）于正洞D2K171+255—D2K171+6516.9m465段左线线路中线左侧16.9m处平行设置集水廊道，全长210m。集水廊道设置为V形坡，其中JSD2K171+255—JSD2K171+345段为-10‰的下坡，JSD2K171+345—JSD2K171+465段为15‰的上坡。（2）集水廊道采用模筑衬砌，断面净空尺寸为3.5m×3.5m（宽×高）。

3.1.2泄水洞

（1）垂直于隧道正洞线路设置泄水洞，其起点接集水廊道的最低点JSD2K171+345，泄水洞全长124m，坡度为-30‰的单面下坡。（2）泄水洞与正洞交叉段采用箱涵衬砌，其净空尺寸（宽×高）为2.5m×1.5m；其余段落的净空断面与集水廊道相同。

3.1.3排水联络坑道

（1）为有效引排岩溶水，于集水廊道JSD2K171+280右侧、JSD2K171+385左侧各设置1条排水联络通道，将上游管道水全部截排至集水廊道。（2）泄水洞XSDK0+033左侧设置1条排水联络通道与溶腔连通，将管道可能的其他涌水疏排至泄水洞。（3）于溶洞内合适位置设置多处混凝土封堵，确保将季节性涌水在隧道远端有效引排入集水廊道内。（4）为方便施工及检修，并避免岩溶水冲刷破坏围岩，影响隧道结构及运营安全，排水联络通道净空尺寸设为2.0m×2.0m（宽×高），衬砌采用钢筋混凝土，入口段设为喇叭口渐开形。

3.1.4排水钻孔

（1）结合排水联络通道的布置，于集水廊道JSD2K171+305、JSD2K171+357、JSD2K171+375里程右侧以及泄水洞XSDK0+039右侧分别布设ϕ76mm的排水钻孔接通溶腔，每断面钻设3～6孔，引排溶洞管道内积水至集水廊道或泄水洞。（2）作为集水、排水通道，集水廊道及泄水洞均不设防水层，衬砌施作完成后集水廊道及泄水洞（除箱涵段）沿衬砌内缘径向施作ϕ50mm钻孔，孔深1.0m，沿衬砌内缘环向及纵向间距均为1.0m，呈梅花形布置。

3.2溶洞及其影响段正洞处治方案设计

3.2.1溶洞处治措施

（1）溶洞底部多填充碎石、角砾，为减少岩溶水下渗，对D2K171+255—D2K171+465范围内溶洞底部进行清理并采用C20混凝土铺砌，使铺砌面对排水联络通道或排水钻孔呈下坡。（2）鉴于溶洞裂隙较发育且局部存在掉块风险，与正洞交叉段的溶洞应清除洞壁危石和浮渣，并于衬砌外设1.5m厚C20混凝土护拱，以确保隧道结构及运营安全。

3.2.2溶洞影响段正洞处治方案

（1）D2K171+320—D2K171+340及D2K171+350—D2K171+370段隧道拱部侵入溶洞底部。为防止拱部坍塌和掉块，拱墙设置I20b型钢钢架加强支护，钢架纵向间距0.6m，该段隧道采用Vc型钢筋混凝土衬砌。（2）D2K171+340—D2K171+350段隧道与泄水洞正交。为减少隧道底部开挖，正洞采用无仰拱型钢筋混凝土复合衬砌结构，确保隧道与箱涵紧密贴合。因该段隧道周边基岩完整，隧道底部不必另行加固处理。（3）D2K171+395—D2K171+417及D2K171+439—D2K171+449段隧道边墙侵入溶洞。拱墙设置I20b型钢钢架加强支护，钢架纵向间距0.8m，该段衬砌采用Ⅴb型钢筋混凝土复合衬砌。

3.3施工要点

1）施工中结合正洞揭示及勘察资料，采用超前地质预报、加深炮眼、水文观测等措施，进一步查明了岩溶情况，妥善处理了岩溶及地下水，避免了隐伏的岩溶危害。2）岩溶处理均在旱季施工，由正洞D2K171+345处开辟通道引入。首先施作泄水洞、集水廊道及排水廊道，其次设置排水钻孔、封堵溶腔各处上游入口。3）因溶洞洞壁局部风化严重且稳定性差，集水廊道及泄水洞采用控爆开挖，并加强监控量测，减少了对溶洞及正洞衬砌结构的影响。4）排水联络通道及钻孔的位置，可根据情况适当调整。排水钻孔应在各项工程基本完成之后，各处封堵墙施作之前钻设，避免堵塞。

4运营情况

隧道溶洞已按设计于2016年12月处治完成，并于2018年1月开通运营。运营4年来，隧址区多次出现强降雨天气，雨量数次达110mm，最大达150mm以上，但隧道衬砌未见因季节性岩溶水影响造成的结构性裂缝、渗漏水等病害。排水设施通畅，按照设计目的实现了引排岩溶水的功能，保障了隧道结构的安全。目前该隧道运营良好，今后的类似岩溶隧道设计过程中，可结合施工及运营维护措施对泄水洞净空做进一步的优化及比选。

5结语

1）某隧道施工揭示的溶洞管道形态发育、地质条件复杂。根据上述特点，结合其岩溶地下水的独特特性，采取了增设集水廊道与泄水洞、设置局部排水联络坑道和排水钻孔、加强局部衬砌等措施进行综合处治，确保了岩溶水的彻底引排，保证了衬砌结构免受溶洞及岩溶水的危害。2）根据隧道溶洞发育形态规模，结合其与隧道的交叉关系，采取了溶洞内封堵、铺底、护拱及局部段落采用钢筋混凝土衬砌结构，保证了溶洞处理施工安全顺利进行及铁路运营的安全。3）依托隧道形成了适用广泛的隧道岩溶水灾害防治、复杂型溶洞综合处治成套技术。经运营检验，溶洞处治措施得当，岩溶水引排合理，结构安全可靠，可作为复杂管道型溶洞的处治范例，为国内外同类隧道工程提供借鉴。

参考文献

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